CC BY
68
174
Мосты и тоннели
определением грузоподъемности сооружения и рекомендациями по устранению дефектов и дальнейшей эксплуатации.
5. Результаты работы обследователей передаются в электронном и бумажном виде в отдел мостов, который передает материалы в РИЦ, где они архивируются в банке данных и выдаются по запросам заинтересованных организаций.
Учетная карточка на мост составляется на основании паспорта силами ДРСУ и хранится в картотеке организации.
Книга искусственного сооружения заполняется и хранится в ДРСУ, где в нее вносятся записи о результатах текущих и периодических осмотров. Там же хранятся акты с результатами комиссионных проверок вышестоящими организациями.
3. Заключение
Приведенные предложения сокращают трудозатраты на обследования мостов и обусловливают информационное обеспечение при мониторинге искусственных сооружений на автодорогах общего пользования.
4. Литература
Инструкция по диагностике мостовых сооружений на автомобильных дорогах. М.: Транспорт, 1996.
Требования к техническому отчету по обследованию и испытаниям мостового сооружения на автодороге. Минтранс РФ, М.:1996, 8с.
Смирнов В.Н., Гарамов О.В. К вопросу о совершенствовании мониторинга автодорожных мостов на региональном уровне
УДК 693:691
УСКОРЕННЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ
В ХРУПКИХ МАТЕРИАЛАХ
П.Г. Комохов, Ю.А. Беленцов
Аннотация
Приведены критерии оценки кинетики развития трещин в хрупких материалах, в т.ч. кирпичной кладке. Рассмотрен метод оценки развития трещин и влияние структуры материалов на их трещиностойкость.
2004/2
Известия Петербургского университета путей сообщения
Мосты и тоннели
175
Ключевые слова: трещиностойкость,
трещины, кирпичная кладка,
кластеризация трещин
Введение
Современное развитие строительной науки позволило создать высокопрочные
и эффективные материалы. При этом возникает естественное желание избежать хрупкого и внезапного разрушения, для чего нужно использовать расчеты с учетом протяженных зон пластических деформаций и развивающихся трещин. При этом определяющим будет реальная структура материалов, в которой присутствуют внутренние дефекты: дислокации, микротрещины, поры и пустоты и т.д. (Комохов П.Г. и д.р., 1992). Для решения встающего перед инженерами и конструкторами задач обеспечения надежности, долговечности и трещинностойкости накоплен большой объем теоретических и экспериментальных исследований (Плювинаж Г., 1993). Но практическое их применение затруднено в силу сложности процессов, протекающих в конструкциях и материалах при воздействии статического и знакопеременного нагружения или внешних эксплуатационных факторов (химической и биологической агрессии, многоциклового замораживания и оттаивания), а так же громоздкости математического аппарата, необходимого для расчетов. Поэтому необходимо разрабатывать упрощенные и приближенные методы оценки динамики развития трещин в материалах, особенно актуально это для бетона и кирпичной кладки, в некоторых случаях подверженных внезапному разрушению.
1. Метод оценки трещинообразования
По мере накопления и развития внутренних микродефектов и микротрещин они объединяются, образуя магистральные трещины в опасных сечения под действием растягивающих, сдвигающих или скручивающих напряжений. Это обуславливает развитие трех основных видов трещин, как установил Броек (Броек Д., 1980) (см. рис.1).
Для строительных конструкций наиболее часто встречаются и соответственно наиболее опасны трещины отрыва. Исходя из учета фактора постепенного перехода между состояниями упругого и пластического деформирования, приводящих к разрушению, можно предложить два принципиальных подхода. Первый, глобальный, который не рассматривает подробно процесс разрушения; второй опирается на
Рис 1. Типы трещин: а) трещина отрыва; б) трещина среза или сдвига; г) трещина скручивания
Тип I Тип II Тип Ш
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/2
176
Мосты и тоннели
процессы, происходящие при разрушении материалов, с учетом его структуры и геометрических размеров, наличия внутренних дефектов, вида нагрузки и т.д. К настоящему моменту разработано большое количество различных критериев механики разрушения с использованием напряжений и деформаций, энергетических и геометрических критериев характеризующих степень опасности трещин.
Уточнение методов расчета привело к возможности учета таких факторов, как эксплуатационные нагрузки, которые достаточно велики, что бы породить трещины и заставить их развиваться. Поэтому проектировщик должен предусматривать возможность разрушения и возможно точно предсказать скорость развития трещин и остаточную прочность конструкций. Существенным недостатком теоретических и экспериментальных исследований в оценке трещиностойкости материалов является степень абстрагирования абстрагирование от фактической структуры материалов без учета внутренних дефектов, что приводит к решению задачи развития трещин только в конструктивно ослабленном сечении образца, например выточкой или исскуственной трещиной, как это принято при определении коэффициента интенсивности напряжений.
Это количественно характеризует картину разрушения, но недостаточно полно отражает качественную сторону. Необходимо учитывать, что до момента образования магистральных трещин зарождение и развитие трещин идет по всему объему образца не важно, каким образом трещина зарождается, поскольку в любом материале, присутствуют неоднородности структуры, а они могут являться местами зарождения трещин. Возможно, что не только ослабление структуры (микротрещины, дислокации, поры и пустоты), но и более плотные и прочные включения, которые будут концентраторами напряжений и источником зарождения трещин (такие как, зерна прочного заполнителя в матричной структуре материала, элементы кристаллического сростка цементного камня и т.д.). Подобный механизм формирования неоднородности структуры будет существенно влиять на трещиностойкость материала и динамику развития трещин в конструкциях из этих материалов. Их кинетика развития и места расположения в структуре малопредсказуемы и хаотичны. Они влияют на напряженно -деформируемое состояние при сжатии и растяжении, изгибе, срезе, скручивании. Опасные зоны могут быть протяженны и очень трудно предсказать место образования трещин. Исходя из вышесказанного, необходимо рассматривать механизм трещинообразования не в плоском случае перпендикулярном направлении основным напряжениям а при объемном процессе разрушения. И только после развития и объединения микротрещин трещин, кластеризацию и их переход в магистральную трещину и достижение критических параметров происходит лавинообразное развитие, что ведет к разрушению материалов и
2004/2
Известия Петербургского университета путей сообщения
Мосты и тоннели
177
конструкций, в соответствии с работами Куксенко В.С., о чем свидетельствует фотография стадий развития трещин в цементном камне (рис 2).
Рис 2. Кластеризация трещин в материале цементного камня
Для упрощенной оценки скорости развития и увеличения в размерах развивающихся трещин можно предположить следующее представив, что влияние трещины проявляется не через коэффициент интенсивности напряжений при вершине трещины, а через равномерное увеличение напряжений по всей оставшейся площади с учетом изменения геометрических размеров. С одной стороны это заставляет отойти от реальной картины развития трещины, с другой - существенно формализует расчетную с расчетными моделями, используемыми в
модель по сравнению существующих теориях механики разрушения.
Рассмотрим процесс образования и развития трещин в материале при растяжении образца и продвижении трещины на заданную величина равную 2а, а затем на величину 2Аа, как представлено на рис. 3.
р
о
I
о
II
о
na^ai ea aaf обай ei и
na^ai ea n обай ei ie aeei 1e a
na^ai ea n бб&й ei 1e aeei 1 e a+2_a
Рис. 3. Расчетная модель для оценки трещиностойкости
Необходимо учитывать, что если мы не видим трещину или не можем обнаружить ее инструментальными методами, это не значит, что трещины в образце отсутствуют. Для оценки динамики трещинообразования при растяжении и сжатии материалов можно использовать величину изменения модуля деформаций под воздействием различных факторов, в т.ч. при приложении механической нагрузки. Процесс изменения модуля деформаций можно связать с изменениями структуры и накоплением внутренних дефектов, их развитием и объединением и переходом в магистральные трещины разрушения. Косвенно это подтверждается
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/2
178
Мосты и тоннели
изменением скорости прохождения ультразвука или акустической эмиссии, при изменения модуля деформаций, а значит нарушения сплошности материалов (Гансен Т., 1960) Значит, оценив изменение модуля деформаций можно предсказать длину и ширину раскрытия трещин:
<* = К 1-уу) (!)
Е
с учетом изменения поперечных размеров, оценив коэффициент поперечных деформаций.
а =
h [(1
- £
ирод
м)~
E'
(2)
Что же касается поперечных деформаций, их изменит величину трещинообразования не более 10%, поэтому возможно пренебречь их значениями в расчетах.
Для того, чтобы определить, будет ли продвигаться трещина или остановится необходимо найти граничное условие, когда внешняя энергия подведенная к материалу конструкции, будет равна сумме упругой энергии тела с трещиной и энергии, затраченной на формирование трещин длиной «а», как в хрупком теле по Гриффитсу. В этом случае внешняя энергия равна приложенной к конструкции силе на полную ее деформацию с учетом образующихся трещин. Становится понятным затухание или продвижение трещин, не исключая ее лавинообразное продвижение. Возможно установить показатель ширины раскрытия трещин по формуле (3), что позволит перейти к оценке надежности конструкций и материалов с учетов развивающихся трещин (рис 4)
Ы ha
S =-----------------(1 +
a
En h- 2a h- 2a
-)
(3)
При сжатии хрупких материалов трещина будет образовываться и развиваться в направлении растягивающих поперечных напряжений. Это обуславливает характер разрушения бетона и кирпичной кладки, разделяющейся вертикальными трещинами на отдельные столбы высоких призматических образцах и в отсутствии трения по опорным граням при их сжатии и встречающихся усеченных пирамид при образцах кубиках с трением по опорным граням. Подход, описанный выше, позволяет оценить трещинообразование при сжатии образцов, рассмотрев влияние поперечных растягивающих напряжений. Вид разрушающегося кирпичного образца при сжатии представлена на рис. 4.
2004/2
Известия Петербургского университета путей сообщения
Мосты и тоннели
179
Для подтверждения высказанной теории была проведена экспериментальная проверка предложенной методики при оценке кинетики развития трещин при механическом загружении.
Образцы изготавливались из силикатного кирпича марки 125 на
цементно-песчаном растворе марки 125. Состав раствора Ц:П = 1:3, В/Ц = 0,7. Предел прочность
Л
образца составила 58,6кгс/см . Модуль деформаций в начальный момент загружения
Л
был К о = 15000кгс/см . При расчетных
напряжениях 24кгс/см2 значение составит Ер =
к
Рис. 4. Фрагмент развития трещин и разрушения кирпичного образца
8680кгс/см , при напряжениях, близких
Л
разрушающим значение Е = 5900кгс/см .
Расчетная длина трещин образца при напряжениях, близких к разрушающим а-
расч
составит, а
F1
расчт- h(l——) — 0,57 h. Е
По фотографии на рис 4. мы можем установить, что фактическая длина трещин будет афакт = 0,69 h.
Отклонение составит 17 %, что можно объяснить неточностью измерения деформаций. Правомерно сделать вывод, что для кирпичной кладки с учетом ее дефектности предложенная методика дает нормальные практические результаты.
Ширина раскрытия трещины составит 5Г
-'расч?
<5 =
Ы
Еп
ha
(1
h-2a h — 2a
= 0,329
см.
Фактическая величина раскрытия трещины по фото графии на рис 5 составит 0,25см. Отклонение составит 24 % от расчетной.
a
3. Заключение
Таким образом, предложенный метод оценки развития трещин в материале позволяет внести ясность в оценку картины трещинообразования в хрупких материалах, в т.ч. и для кирпичной кладки. Положительным моментом данного подхода является отсутствие необходимости формировать искусственно зону разрушения (поскольку это не соответствует действительности), а есть возможность использовать усредненную интегральную характеристику трещиностойкости.
4. Литература
Комохов П.Г., Грызлов В.С. Структурная механика и теплофизика легкого бетона. -Вологда.: Вологодский научный центр, 1992.
Плювинаж Г. Механики упруго-пластического разрушения. - М.: Мир, 1993.
Броек Д. Основы механики разрушения. - М.: ВШ, 1980.
Гансен Т. Ползучесть и релаксация напряжений в бетоне. - М.: Госстройиздат, 1960.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/2
